武汉大学信息安全专业计算机网络实验报告

武汉大学计算机学院课程实验(设计)报告课程名称：计算机网络实验专业、班：xxx姓名：xxx学号：xxx学期：2015-2016上组、角色第8组D主机实验分数一二三总评比例30%35%35%100%分数(百分制)成绩〔教师填写〕实验一地址转换协议ARP一、实验过程及结果练习一：领略真实的ARP〔同一子网〕1.在命令行下运行“arp-a”命令，观察ARP高速缓存表ARP高速缓存表由哪几项组成？答：ip地址、物理地址和类型2.启动协议分析器，翻开捕获窗口进行数据捕获并设置过滤条件〔提取ARP、ICMP〕。3.在命令行下运行“arp-d”命令，清空ARP高速缓存。4.主机Dping主机C5.主机D停止捕获数据，并立即在命令行下运行“arp-a”命令观察ARP高速缓存。结合协议分析器上采集到的ARP报文和ARP高速缓存表中新增加的条目，简述ARP协议的报文交互过程以及ARP高速缓存表的更新过程。假设网络中的计算机A要和计算机B交换数据，那么计算机A要得到计算机B的IP地址和MAC地址的映射关系，首先A要知道目的端的IP地址工作过程如下：①计算机A检查自己的高速缓存中的ARP表，判断ARP表中是否存有计算机B的IP地址与MAC地址的映射关系。如果找到，那么完成ARP地址解析；如果没有找到，那么转至②。②计算机A播送含有自身IP地址与MAC地址映射关系的请求信息包，请求解析计算机B的IP的地址与MAC地址映射关系。③包括计算机B在内的所有计算机接收到计算机A的请求信息，然后将计算机A的IP地址与MAC地址的映射关系存入各自的ARP表中。④计算机B发送ARP响应信息，通知自己的IP地址与MAC地址的对应关系。⑤计算机A收到计算机B的响应信息，并将计算机B的IP地址与MAC地址的映射关系存入自己的ARP表中，从而完成计算机B的ARP地址解析。练习二：编辑并发送ARP报文〔同一子网〕1.在主机D上启动仿真编辑器，并编辑一个ARP请求报文。其中：

MAC层：

目的MAC地址：设置为FFFFFF-FFFFFF。

源MAC地址：设置为主机E的MAC地址。

协议类型或数据长度：0806。

ARP层：

发送端MAC地址：设置为主机E的MAC地址。

发送端IP地址：设置为主机E的IP地址〔172.16.0.2〕。

目的端MAC地址：设置为000000-000000。

目的端IP地址：设置为主机F的IP地址〔172.16.0.3〕。2.主机B、F启动协议分析器，翻开捕获窗口进行数据捕获并设置过滤条件〔提取ARP协议〕。3.主机D在命令行下运行“arp-d”命令，清空ARP高速缓存。4.主机D发送已编辑好的ARP报文。5.主机D立即在命令行下运行“arp-a”命令观察ARP高速缓存。练习三跨路由地址解析〔不同子网〕1.主机D在命令行下运行“arp-d”命令，清空ARP高速缓存。2.主机A、B、C、D、E、F重新启动协议分析器，翻开捕获窗口进行数据捕获并设置过滤条件〔提取ARP、ICMP〕。3.主机Dping主机E〔172.16.0.2〕。4.主机A、B、C、D、E、F停止数据捕获，观察协议分析器中采集到的ARP报文，并答复以下问题：单一ARP请求报文是否能够跨越子网进行地址解析？为什么？答：不能，由于ARP请求是以播送的方式进行，而播送报文不能跨越子网，因此，单一ARP请求报文不能够跨越子网进行地址解析。ARP地址解析在跨越子网的通信中所起到的作用？答：作用是解析网关的MAC地址，ARP本身无法跨跃不同网段。当数据要发往外部网络时，通常是首先使用ARP请求网关路由器的MAC地址，之后将数据发往网关路由器，由网关路由器进行转发。二、实验总结〔1〕思考问题1、ARP分组的长度是固定的吗？试加以解释。ARP分组长度在不同网络上可能会改变。ARP分组中含有HTYPE〔硬件类型〕字2、试解释为什么ARP高速缓存每存入一个工程就要设置10-20分钟的超时计时器。这个时间设置得太大或太小会出现什么问题？ARP高速缓存生存时间由超时计时器维护，这主要有以下两个原因：首先，高速缓存表的空间有限，假设不定期删除旧纪录就无法使新纪录参加到高速缓存中来，这样一来高速缓存的作用就得不到表达。其次，再某一时刻，假设高速缓存的MAC-IP映射相对于实际主机MAC与IP映射关系不一致时〔这通常是由于在此时刻之前，两主机正常通信，它们的ARP高速缓存中都存在彼此的MAC-IP映射，接下来其中一台主机更换了网卡，从而导致另一台主机高速缓存的MAC-IP映射相对于实际主机MAC与IP映射关系不一致〕，网络通信必然受到影响，可以通过超时计时器机制更新生存时间到期的纪录，使网络通信在短时间内恢复正常。超时时间设置过大会使ARP高速缓存中的纪录长期得不到更新，降低高速缓存的利用率，增加高速缓存的记录与实际的地址映射不一致时恢复正常通信的时间。超时时间设置过小，会使高速缓存的记录被频繁删除，从而导致ARP播送数据包在网络上大量出现，增加网络流量。3、至少举出两种不需要发送ARP请求分组的情况。当ARP缓存表中已经含有要解析的条目时不需要再次发送ARP报文；当目的地址是播送地址时不需要发送ARP报文。〔2〕心得总结这是计算机网络的第一次实验，各种操作还不太熟练。在实验中，通过自己的各种操作，我对计算机网络中报文交互等产生了更深的体会，这是书本上所学不到的知识,我感到收获很大。通过这次实验，我对ARP协议的报文格式、工作原理，以及高速缓存的作用也有了更加深刻的理解。ARP高速缓存表中记录了最近获取的IP地址与物理地址的映射关系，包含IP地址、物理地址、类型等字段，可以方便计算机快速获取近期通讯过的网络上其他计算机的IP及其物理地址的映射关系，而不必每次都发送ARP请求以获取这些映射。发送IP报文前总是先对ARP缓存表进行查找，看是否目标MAC地址存在于缓存表中，如果存在，那么不需要发送ARP请求报文而直接使用此地址进行IP报文的发送。如果不存在，那么发送ARP请求报文，并将结果存于ARP缓存表中供以后使用。并且，在一段时间内如果表中的某一行没有使用，就会被删除，这样可以大大减少ARP缓存表的长度，加快查询速度。ARP请求报文中包含了发送方的物理地址、发送方的IP地址和目标端的IP地址，目标的物理地址用0填充。将报文传递到数据链路层，并在该层中用发送方的物理地址作为源地址，用物理播送地址作为目的地址，将其封装在一个帧中。同一链路中的每个主机或路由器都接收到这个帧，因为该帧中包含了一个播送目的地址，所有的站点都对报文进行移交，并将其传递到ARP。除了目标机器以外的所有机器都丢弃该报文。目标机器对IP地址进行识别。目标机器用一个包含其物理地址的ARP响应报文做出响应，并对该报文进行单播。发送方接收到一个响应报文，这样它就知道了目标机器的物理地址。这样就可以将携带目标机器数据的IP数据报封装在一个帧中，并单播到目的地址。单一ARP请求报文不能跨越子网进行地址解析，ARP报文的存活空间只限在子网内，因为ARP报文的请求是在网关下的数据请求，脱离子网ARP报文也就自动失效。ARP地址解析在跨越子网的通信中作用主要是解析网关的MAC地址，之后将数据发往网关路由器，由网关路由器进行转发。实验二网际协议IP一、实验过程及结果练习一：编辑并发送IP数据报1.D启动仿真编辑器，编辑一个IP数据报，其中：

MAC层：

目的MAC地址：主机B的MAC地址〔网卡1〕。

源MAC地址：主机D的MAC地址。

协议类型或数据长度：0800。

IP层：

总长度：IP层长度。

生存时间：128。

源IP地址：主机D的IP地址。

目的IP地址：主机E的IP地址。

校验和：在其他所有字段填充完毕后计算并填充。IP在计算校验和时包括那些内容？答：IP报文中的首部2.在主机B〔两块网卡分别翻开两个捕获窗口〕、E上启动协议分析器，设置过滤条件〔提取IP协议〕，开始捕获数据。3.主机D发送第1步中编辑好的报文。4.主机B、E刷新查看捕获的数据，在捕获到的数据中查找主机D所发送的数据报，并答复以下问题：第1步中主机D所编辑的报文，经过主机B到达主机E后，报文数据是否发生变化？假设发生变化，记录变化的字段，并简述发生变化的原因。答：报文数据发生变化，变化的字段为：生存时间、首部校验和，由于D发送给E的报文跨网段，经过路由器B，B在转发数据报前将生存时间〔TTL〕减1，并重新计算校验和。5.将第1步中主机A所编辑的报文的“生存时间(TTL)”设置为1。重新计算校验和。6.发送7.主机B、E刷新捕获的数据，查找主机A所发送的数据报，并答复以下问题：▽主机B、E是否能捕获到主机A所发送的报文？简述产生这种现象的原因。答：B能获取，E不能。因为将D所编辑的报文的生存时间设置为1，B作为路由器在转发前将报文的生存时间减一，变为0，那么将该数据报丢弃，不转发。所以主机E没有收到数据报。练习二：特殊的IP地址1.直接播送地址。

〔1〕主机D编辑IP数据报1，其中：

目的MAC地址：FFFFFF-FFFFFF。

源MAC地址：D的MAC地址。

源IP地址：D的IP地址。

目的IP地址：。

校验和：在其他字段填充完毕后，计算并填充。

〔2〕主机D再编辑IP数据报2，其中：

目的MAC地址：主机B的MAC地址〔网卡1〕。

源MAC地址：D的MAC地址。

源IP地址：D的IP地址。

目的IP地址：。

校验和：在其他字段填充完毕后，计算并填充。〔3〕主机B、C、A、E、F启动协议分析器并设置过滤条件〔提取IP协议，捕获D接收和发送的所有IP数据包，设置地址过滤条件如下：D的地址<->Any〕。

〔4〕主机B、C、A、E、F开始捕获数据。

〔5〕主机D同时发送这两个数据报。

〔6〕主机B、C、A、E、F刷新查看捕获的数据。记录实验结果：

主机号收到IP数据报1

A、B、C收到IP数据报2

B、E、F▽结合实验结果，简述直接播送地址的作用。答：直接播送地址，指定了一个特定网络的“所有主机”，一个直接播送的单一拷贝被发送到一个指定的网络，在那里他被播送到所有网络终端。2.受限播送地址。

〔1〕主机C编辑一个IP数据报，其中：

目的MAC地址：设置为FFFFFF-FFFFFF。

源MAC地址：C的MAC地址。

源IP地址：C的IP地址。

目的IP地址：设置为255.255.255.255。

校验和：在其它字段填充完毕后，计算并填充。〔2〕主机B、D、A、E、F重新启动协议分析器并设置过滤条件〔提取IP协议，捕获D接收和发送的所有IP数据包〕。注意：选择相应过滤器。

〔3〕主机B、D、A、E、F重新开始捕获数据。

〔4〕主机C发送这个数据报。

〔5〕主机B、D、A、E、F刷新查看捕获的数据。记录实验结果：

主机号收到主机C发送的IP数据报

B、C、D未收到主机C发送的IP数据报

B、E、F▽结合实验结果，简述受限播送地址的作用。答：受限的播送地址是255.255.25.255〔全1〕，路由器不转发目的地址为受限的播送地址的数据报，这样的数据报仅出现在本地网络中。所以只有本局域网内的A、B、D主机收到了C主机发送的IP数据报。3.环回地址。

〔1〕主机C重新启动协议分析器开始捕获数据并设置过滤条件〔提取IP协议〕。

〔2〕主机Dping127.0.0.1。

〔3〕主机C停止捕获数据。▽主机C是否收到主机D发送的目的地址为127.0.0.1的IP数据报？为什么？主机F没有收到E发送的IP数据报，因为假设主句发送一个目的地址以为环回地址〔127.0.0.1〕的IP数据报，那么本主机中的协议软件就处理数据报中的数据，而不会把数据报发送到任何网络。所以F主机不会收到E主机发送的目的地址为127.0.0.1的数据报。练习三：IP数据报分片1.在主机B上使用“开始\程序\网络协议仿真教学系统通用版\工具\MTU工具”设置以太网接口的MTU为800字节〔两个网卡都设置〕。2.主机D启动协议分析器，翻开捕获窗口进行数据捕获并设置过滤条件(提取ICMP协议)。3.在主机E上，执行命令ping-l1800D机器ip地址。4.主机D停止捕获数据。在主机D上重新定义过滤条件〔取一个ICMP数据包，按照其IP层的Identification字段设置过滤〕一共分三片：将ICMP的报文分片信息填入下表，分析表格内容，理解分片的过程。字段名称分片1分片2分片3Identification字段值

27218

27218

27218Morefragments字段值

1

1

0Fragmentoffset字段值

0

776

1552帧长度810810290传输的数据量776776256分析表格内容，理解分片的过程。E主机发送的数据报总长度为1868字节，数据长度为1808字节。而MTU为800，因此需要进行两次分片。主机D收到三个分片。分片1总长度796字节，数据局部长度776字节，偏移量0。分片2总程度796字节，数据局部长度776字节，分片偏移量776字节。分片3总长度276字节，数据局部长度为256字节，分片偏移量1552字节。在主机E上，执行ping–I2500D主机ip地址。两次的差异：第二次分需要进行三次分片。主机D收到四个分片。Morefragments字段值为1表示之后还有分片。Fragmentoffset字段指明了当前分片包在与其它分片被重新组装成一个单独数据包时，应该位于数据包的什么位置上。由于MTU为800，所以传输的数据量最大为800-20=780，776最接近780且为8的整数倍，所以分片2的Fragmentoffset字段值为776。练习四：子网掩码和路由转发1.所有主机取消网关。2.主机A、C、E设置子网掩码为，主机B〔网卡1〕、D、F设置子网掩码为。3.主机Aping主机B，主机Cping主机D，主机Eping主机F。实验过程中假设遇到问题请进行简单说明：记录实验结果

是否ping通主机A----主机B

通主机C----主机D

通主机E----主机F

通▽请问什么情况下两主机的子网掩码不同，却可以相互通信？答：子网地址〔主机地址与子网掩码的按位与结果〕相同，就可以二、实验总结〔1〕思考问题说明IP地址与硬件地址的区别。为什么要使用这两种不同的地址？答：⑴IP地址放IP数据报的首部，而硬件地址那么放在MAC帧的首部；⑵在网络层和网络层以上使用IP地址，数据链路层及以下使用硬件地址。为什么要使用这两种不同的地址，是因为在因特网上，是使用IP地址独一无二的标识每个主机〔或路由器〕，但在发送数据时，使用IP地址的IP数据报向下要交给数据链路层，被封装成MAC帧，而MAC帧在具体的物理网络〔如局域网〕中传送时使用的是物理地址。连接在通信链路上的设备〔主机或路由器〕在接收MAC帧时，其根据是MAC帧首部中的硬件地址。只有在剥去MAC帧首部和尾部后将MAC层的数据上交给网络层，网络层才能在IP数据报中找到源IP地址和目的IP地址。

不同协议的MTU的范围从296到65535。使用大的MTU有什么好处？使用小的MTU有什么好处？答：使用大的MTU，可减少分片数目，实现报文的快速传输，传输效率高且IP数据报首部占数据报的总长度比例减小。使用小的MTU，路由器转发速度快，对传输性能要求小。IP数据报中的首部检验和并不检验数据报中的数据。这样做的最大好处是什么？缺点是什么？答：最大的好处是，可以减少计算量和处理复杂度，提高处理速度。但缺点是把检验的任务交给了上层，增加了上层协议的复杂度。〔2〕心得总结这是计算机网络的第二次实验，内容不少。一开始觉得很难，不知道怎么做。但是经过老师的讲解和对于原理的逐渐理解，还是能够顺利掌握实验方法。而对于IP协议，我也有了更加直观的了解。IP地址是一个32位的二进制地址，为了便于记忆，将它们分为4组，每组8位，由小数点分开，用四个字节来表示，而且，用点分开的每个字节的数值范围是0~255，如202.116.0.1，这种书写方法叫做点数表示法。IP地址可确认网络中的任何一个网络和计算机，而要识别其它网络或其中的计算机，那么是根据这些IP地址的分类来确定的。一般将IP地址按节点计算机所在网络规模的大小分为A，B，C三类，默认的网络屏蔽是根据IP地址中的第一个字段确定的。它是不可靠的，所以它不能保证IP数据报能成功到达目的地。IP仅提供最好的传输效劳。当发生某种错误时，如某个路由器暂时用完了缓冲区，IP有一个简单的错误处理算法：丢弃该数据报，然后发送ICMP消息给信源。任何要求的可靠性必须由上层来提供。无连接指IP并不维护任何关于后续数据报的状态信息。每个数据报的处理是相互独立的。IP数据报可以不按发送顺序接收。如果一信源向相同的信宿发送两个连续的数据报〔先是A，然后是B〕每个数据报都是独立的进行路由选择，可能选择不同的路线，因此B可能在A到达之前先到达。

实验三传输控制协议TCP一、实验过程及结果练习一：观察TCP连接的建立和释放主机D启动协议分析器进行数据捕获,并设置过滤条件〔提取TCP协议〕。主机F翻开TCP工具〔系统开始菜单程序组->协议仿真->工具->TCP工具〕，类型选择“效劳器”，端口填写大于1024的值(一般端口)；点击“创立”，如果端口被占用那么选择其它。主机A翻开TCP工具，类型选择“客户端”，地址填入主机C的IP地址；在端口填入主机C的TCP工具监听的端口；点击[连接]按钮进行连接。观察主机D捕获的数据，填写下表。字段名称报文1报文2报文3SequenceNumber

3307446033

3967614297

3307446034AcknowledgementNumber

0

3307446034

3967614298ACK

0

1

1SYN

1

1

0▽TCP连接建立时，前两个报文的首部都有一个“maximumsegmentsize”字段，它的值是多少？作用是什么？结合IEEE802.3协议规定的以太网最大帧长度分析此数据是怎样得出的。答：值是1460。是由发送端指定的，说明了能在网络上传输的最大的段尺寸。1460=MTU-IP首部-TCP首部=1500-20-20=1460。主机D断开与主机F的TCP连接。观察主机D捕获的数据，填写下表。字段名称报文4报文5报文6报文7SequenceNumber

4255910326

2888125387

2888125387

4255910327AcknowledgementNumber

2888125387

4255910327

4255910327

2888125388ACK

1

1

1

1FIN

1

0

1

0结合步骤3、5所填的表，理解TCP的三次握手建立连接和四次握手的释放连接过程，理解序号、确认号等字段在TCP可靠连接中所起的作用。答：确认序号告诉接收者发送者期望收到的下一个字节，如果在规定时间内，没有收到关于这个包确实认响应，重新发送此包，这保证了TCP是一种可靠的传输层协议。6.重新建立TCP连接，发送自定数据，理解TCP对接收到的数据进行确认的过程。练习二：利用仿真编辑器编辑并发送TCP数据包本练习将主机A和B作为一组，主机C和D作为一组，主机E和F作为一组，现仅以主机A和B为例，说明实验步骤。在本实验中由于TCP连接有超时时间的限制，故仿真编辑器和协议分析器的两位同学要默契配合，某些步骤〔如计算TCP校验和〕要求熟练、迅速。为了实现TCP三次握手过程的仿真，发送第一个连接请求帧之前，仿真端主机应该使用“仿真编辑器/工具菜单/TCP屏蔽/启动屏蔽”功能来防止系统干扰〔否那么计算机系统的网络会对该请求帧的应答帧发出拒绝响应〕。通过手工编辑TCP数据包实验，要求理解实现TCP连接建立、数据传输以及断开连接的全过程。在编辑的过程中注意体会TCP首部中的序列号和标志位的作用。首先选择效劳器主机上的一个进程作效劳器进程(使用TCP工具，创立TCP监听端口)，并向该效劳器进程发送一个建立连接请求报文,对应答确实认报文和断开连接的报文也编辑发送。其步骤如下：主机D启动协议分析器捕获数据，设置过滤条件〔提取TCP协议，同时包括源、目的ip地址过滤〕。主机C上启动仿真编辑器，在界面初始状态下，程序会自动新建一个单帧，可以利用仿真编辑器翻开时默认的以太网帧进行编辑。填写该帧的以太网协议首部，其中：

源MAC地址：主机C的MAC地址。

目的MAC地址：充当TCP效劳器的机器MAC地址。

协议类型或数据长度：0800〔IP协议〕。填写IP协议头信息，其中：

高层协议类型：6〔上层协议为TCP〕。

总长度：40〔IP首部+TCP首部〕。

源IP地址：主机A的IP地址。

目的IP地址：充当TCP效劳器的机器IP地址。

其它字段任意。

应用前面学到的知识计算IP首部校验和。填写TCP协议信息，其中：

源端口：任意大于1024的数，不要使用下拉列表中的端口〔熟知端口〕。

目的端口：作为TCP效劳器端创立的监听端口。

序列号：选择一个序号ISN〔假设1942589885〕，以后的数据都按照这个来填。

确认号：0。

首部长度和标志位：5002〔即长度20字节，标志SYN=1〕。

窗口大小：任意。

紧急指针：0。

使用协议仿真编辑器的“手动计算”方法计算校验和；再使用协议仿真编辑器的“自动计算”方法计算校验和。将两次计算结果相比拟，假设结果不一致，那么重新计算。▽TCP在计算校验和时包括哪些内容？协议字段、源IP地址、目的IP地址、TCP数据总长度、TCP首部、TCP数据将设置完成的数据帧复制3份。

修改第二帧的TCP层的“首部长度和标志”位为5010〔即标志位ACK=1〕，TCP层的“序号”为1942589885+1。修改第三帧的TCP层的“首部长度和标志”位为5011〔即标志位ACK=1、FIN=1〕，TCP层的“序号”为1942589885+1。修改第四帧的TCP层的“首部长度和标志”位为5010〔即标志位ACK=1〕，TCP层的“序号”为1942589885+2。在发送该TCP连接请求之前，先ping一次目标效劳器，让目标效劳器知道自己的MAC地址。仿真客户端〔注意不要使用TCP工具客户端〕使用“仿真编辑器/工具菜单/TCP屏蔽/启动屏蔽”功能，为TCP\IP协议栈过滤掉收到的TCP数据。点击菜单栏中的“发送”按钮，在弹出对话框中选择发送第一帧。在主机D上捕获相应的应答报文，这里要求协议分析器一端的同学及时准确地捕获本机发出的应答报文〔ACK+SYN〕并迅速从中获得应答报文的字节序号〔Y〕，把Y+1的值告知仿真编辑器一端的同学。修改第二帧TCP层的“ACK确认序号”的值为：Y+1。计算第二帧的TCP校验和，将该帧发送。对效劳器的应答报文进行确认。检查TCP工具状态栏，是否：已成功建立连接状态？【3次握手成功】成功，截图：3次握手成功后截图并找老师检查。修改第三帧的TCP层的“ACK确认序号”的值：Y+1,计算第三帧的TCP校验和，将该帧发送。修改第四帧的TCP层“确认号”为Y+2。计算第四帧的TCP校验和，将该帧发送。【正常无误的情况下，TCP经过4次握手后断开连接】。断开，截图：协议分析器一端截获相应的请求及应答报文并分析，注意观察“会话分析”中的会话过程。实验成功完成后，仿真端主机使用“仿真编辑器/工具菜单/TCP屏蔽/停止屏蔽”功能，恢复正常网络功能。练习三：TCP的重传机制本练习任意两台PC为一组，一端作为TCP效劳器，另外一端作为TCP客户端，实验步骤如下：〔D为效劳器C为客户端〕各机器均启动协议分析器开始捕获数据，注意设置过滤条件【即查询条件】〔提取TCP协议，及相应源、目的ip地址〕并选择相应过滤器。同组实验的两台主机翻开--》Win系统开始菜单--》程序组中协议仿真教学系统--》工具--》TCP工具。2台机器分别选择做为TCP效劳器或客户端，效劳器端在端口文本框输